DE69030344T2 - Elektrochromes Fenster mit Polymerschicht - Google Patents
Elektrochromes Fenster mit PolymerschichtInfo
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Description
- Die Erfindung ist mit dem Fachgebiet der elektrochromen Zellen im allgemeinen und der transparenten elektrochromen Fenster mit ionenleitenden Polymerschichten im besonderen befasst.
- Es wurden elektrochrome Einrichtungen für den Einsatz in alphanumerischen Bildgerät-Bedienungsfeldern, wie Digitaluhren, Taschenrechnern o.ä. vorgeschlagen. Das elektrochrome Bild, das durch Anwendung der geeigneten Spannung auf eine elektrochrome Zelle dargestellt wird, dauert für eine nützliche Zeit nach Unterbrechung der aktivierenden Spannung, im allgemeinen bis zur Löschung durch Anwendung einer geeigneten Spannung entgegengesetzter Polarität.
- Wenn Spannung durch die beiden Elektroden gegeben wird, werden Ione durch die ionenleitende Schicht transportiert. Falls es sich bei dem elektrochromen Film anliegenden Elektrode um die Kathode handelt, verursacht die Anwendung von Wechselstrom ein Nachdunkeln des Films, das als Einfärbung bezeichnet wird. Die Umkehrung der Polarität verursacht eine Umkehrung der elektrochromen Eigenschaften; der Film kehrt in seinen hohen Durchlässigkeitszustand, der als Bleichung bezeichnet wird, zurück.
- In US-A-4.768.865 wird ein elektrochromer transparenter Gegenstand aus einem elektrochromen Film und einer ionenleitenden Schicht mit Anbringung zwischen einem Ellektrodenpaar offenbart, wobei die optischen Eigenschaften und der elektrochrome Wirkungsgrad durch eine gitterförmige Metallelektrode verbessert werden.
- Im japanischen Patentauszug, Band 9, Nr. 44 (P-337) [1767] 23. Februar 1985 wird eine symmetrische elektrochrome Zelle mit zwei elektrochromen Materialschichten, zwei transparenten Elektrodenschichten und einer ionenleitenden Schicht offenbart.
- Ziel dieser Erfindung ist der beschleunigte Einfärbungs- /Bleichungsvorgang einer elektrochromen Zelle und deren gleichmässige Verteilung über die gesamte Oberfläche der Zelle.
- Dieses Ziel wird durch einen laminierten transparenten Gegenstand in Form einer elektrochromen Zelle mit variabler Durchlässigkeit in Abhängigkeit eines elektrischen Feldes erreicht, wobei der Gegenstand wie folgt zusammengesetzt ist:
- a) ein erstes transparentes Substrat (14);
- b) ein zweites transparentes Substrat (24), das in Kombination mit diesem ersten transparenten Substrat (14) die Wände der elektrochromen Zelle ausbildet;
- c) ein elektrisch leitendes Elektrodenelement (16);
- d) ein transparenter, elektrochromer Film (18), der in Kontakt mit diesem elektrisch leitenden Elektrodenelement (16) steht
- e) eine vorgeformte, vorkonditionierte, ionenleitende Copolymerplatte (26), die aus einer 2-Acrylamid-2- Methylpropan-Sulfonsäure oder einer Mischung aus einem Sulfonsäuremonomer und einem hydrophilen Acrylatmonomer hergestellt ist, die in Kontakt mit diesem elektrochromen Film (18) steht.
- f) eine gitterförmige Metallgegenelektrode (22), die in Kontakt mit dieser ionenleitenden Polymerplatte (26) steht, gekennzeichnet durch:
- g) eine stromleitende Einrichtung (32) mit sich in Längsrichtung erstreckenden Stromschienen (34), die mit einer gemeinsamen endständigen Stromschiene (36) verbunden sind, die mit dieser elektrisch leitenden Elektrode (16) an vorbestimmten Positionen in Kontakt steht, um den Strom durch diese Elektrode (16) gleichförmiger zu verteilen.
- Somit sieht diese Erfindung eine transparente elektrochrome Zelle vor, die bei Anwendung einer positiven bzw. negativen elektrischen Spannung von rund 1.0 Volt oder weniger vollständig nachdunkelt und bleicht. Die elektrochrome Zelle dieser Erfindung enthält eine vorgeformte Polymerelektrolytplatte, die auf einen optimalen Wassergehalt vorkonditioniert und zwischen zwei transparenten Zellwänden laminiert wurde, wobei die äussere Begrenzung der laminierten Zelle für die Wahrung des optimalen Polymerelektrolyt- /Wasserverhältnisses mit einer Wasserdampfbarriere abgedichtet wurde. Die Polymerplatte wird durch Auflösung eines geeigneten acidischen Monomers, wie Acrylamid-Methylpropan-Sulfonsäure oder Ethylensulfonsäure mit hydrophilen Comonomeren, wie Poly(ethylenoxid)-Dimetacrylat, Ethoxytriethylen- Glykolmethacrylat, Ethylenoxid-Dimethyl-Siloxanacrylate, Hydroxypropyl- oder Ethylacrylat in Wasser dargestellt, wobei die Reaktionslösung zwischen Glasplatten gegossen und mit UV- Strahlung in Anwesenheit eines Starters, wie Benzoin- Methylether ausgehärtet wird. Der durch die Filmelektrode fliessende elektrische Strom stösst auf seitlichen elektrischen Widerstand, was zu einer nicht einheitlichen Stromdichte zwischen Filmelektrode und Gegenelektrode führt, was wiederum beim Schalten vom einen Durchlässigkeitszustand zum anderen zu einem Gefälle im transparenten Gegenstand führt. Die Weiterentwicklung dieser Erfindung sieht einen einheitlicheren Wechsel zwischen den Durchlässigkeitszuständen vor. Die Verteilung der elektrischen Ladung sieht eine gleichmässigere Stromdichte zwischen der Filmelektrode und der Gegenelektrode vor, was zu einem einheitlicheren Wechsel im Durchlässigkeitsniveau des transparenten Gegenstands führt.
- Abbildung 1 ist eine Draufsicht eines elektrochromen transparenten Gegenstands gemäss vorliegender Erfindung.
- Abbildung 2 ist ein Querschnitt durch Linie 2-2 von Abbildung 1.
- Abbildung 3 veranschaulicht einen Querschnitt eines laminierten und abgedichteten elektrochromen Fensters gemäss vorliegender Erfindung.
- Herkömmliche elektrochrome Zellen enthalten einen dünnen Film eines beständigen elektrochromen Materials, zB. ein Material für die Anwendung auf ein elektrisches Feld einer bestimmten Polarität für den Wechsel von einem hochdurchlässigen, nicht absorbierenden Zustand zu einem Zustand geringerer Durchlässigkeit, Absorption oder Reflexion und bleiben, nach Unterbrechung des elektrischen Feldes, im Zustand der geringeren Durchlässigkeit, vorzugsweise bis ein elektrisches Feld entgegengesetzter Polarität angesetzt wird, um das Material wieder in den Zustand hoher Durchlässigkeit zu bringen. Der elektrochrome Film ist ein ionenleitender Kontakt, vorzugsweise ein direkter physikalischer Kontakt mit einer Schicht ionenleitenden Materials. Das ionenleitende Material der Erfindung ist eine vorgeformte, vorkonditionierte Polymerplatte. Der elektrochrome und der ionenleitende Film werden zwischen zwei Elektroden angebracht.
- Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich spezifisch auf elektrochrome Wolframoxidfilme und Elektrolytfilme aus Polymer auf der Grundlage der 2-Acrylamid-2-Methylpropan-Sulfonsäure, wobei jedoch von einer Gültigkeit für elektrochrome Zellen aus jeder geeigneten elektrochromen Zusammensetzung und ionenleitenden Polymermischung ausgegangen werden kann.
- Die Polymerelektrolytplatte kann durch jedes herkömmliche Verfahren wie Giessen oder Strangpressen hergestellt werden. Die Polymerelektrolytplatte wird vorzugsweise auf den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt vorkonditioniert, vorzugsweise ein Wasser-/Monomerverhältnis im Bereich von 1.5-3.9:1. Die Vorkonditionierung für den Erhalt des optimalen Feuchtigkeitsgehalts wird vorzugsweise in einer Aufbereitungsatmosphäre von 23ºC bei 58% relativer Luftfeuchte durchgeführt. Die freie Polymerelektrolytplatte wird auf ein Gleichgewicht bei optimalem Wassergehalt, vorzugsweise bei rund 20%, für den Betrieb bei Umgebungstemperatur vorkonditioniert. Für den Einsatz bei höheren Temperaturen kann ein geringerer Wassergehalt bevorzugt werden. Die Polymerelektrolytplatte kann entweder in einer flachen Position konditioniert werden oder auf eine ausgewählte gewellte Form angepasst werden, wenn das laminierte Endprodukt eine gewellte Form haben sollte.
- Die vorliegende Erfindung setzt den Einsatz eines Metallgitters als Gegenelektrode voraus, zwecks Transparenz bei gleichzeitiger einförmiger und rascher Ladungsverteilung über eine grosse Oberfläche und zwecks Teilnahme an einer ausgleichenden Halbzellenreaktion bei geringerer Spannung, um die sonst auftretende Elektrolyse von Wasser mit einhergehender Gasentwicklung zu vermeiden. Anstelle der Wasserhydrolyse an der Gegenelektrode besteht die ausgleichende Halbzellenreaktion in Abhängigkeit des elektrochromen Übergangs von Wolframoxid in einer Oxidation oder Reduktion des Metalls der gitterförmigen Metallgegenelektrode ohne einhergehende Gaserzeugung mit Blasenbildung und verringerter optischer Qualität des Geräts.
- In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist die elektrochrome Zelle ein transparentes Laminat aus zwei Glassubstraten. Eine Elektrode der Zelle umfasst eines der Glassubstrate mit Beschichtung durch einen elektrisch leitenden Film, vorzugsweise Zinnoxid mit einem spezifischen Widerstand von rund 25 Ohm/Quadrad oder weniger. Der elektrochrome Film, vorzugsweise Wolframoxid, wird auf den leitenden Film gebracht, vorzugsweise durch Verdampfung oder Kathodenzerstäubung auf eine bevorzugte Dicke von rund 1000 bis 4000 Ångström. Das zweite Glassubstrat ist vorzugsweise unbeschichtetes Glas.
- Zwecks Bildung der Gegenelektrode wird ein Metallgitter neben dem zweiten Glassubstrat eingebracht. Ein bevorzugtes Metall für das Gitter ist Kupfer. Für optimale optische Eigenschaften hat das Kupfergitter vorzugsweise eine Gitterstärke von rund 0,0635 mm (0,0025 Inch) und eine Gitterweite von rund 8 Drähten pro cm (20 Drähte pro Inch) aufzuweisen. Das Metallgittermuster kann quadratisch oder rechteckig sein, vorzugsweise aber handelt es sich um ein Muster miteinander verbundener Kreise für optimale optische Eigenschaften gemäss Offenbarung in U.S. Patent Nr. 4.772.760.
- Die bevorzugten Metallgitter werden gemäss Offenbarung in US. - A - 4.762.595 galvanoplastisch hergestellt. Der elektrochrome Film/die leitende, filmbeschichtete Glasplatte und die unbeschichtete Glasplatte mit danebenliegender Metallgitter-Gegenelektrode können in einem Abstand von rund 0,76 mm (0,030 Inch) angeordnet werden; vorzugsweise aber werden sie in einem Abstand von rund 0,51 mm (0,020 Inch) oder weniger angeordnet. In diesen Zwischenraum wird die vorgeformte, vorkonditionierte ionenleitende Polymerplatte dieser Erfindung eingebracht. Zu den bevorzugten ionenleitenden Polymeren gehören Homopolymerisate der 2- Acrylamid-2-Methylpropan-Sulfonsäure und deren Copolymere mit Vinylsulfonsäure. Der elektrische Anschluss an den elektrochromen Film und die gitterförmige Metallgegenelektrode erfolgt vorzugsweise durch eine Stromschiene gemäss Abbildung 1 und 2. In bezug auf Abbildungen 1 und 2 wird in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung eine ähnliche elektrochrome Zelle wie jene nach U.S. -A- 4.768.865, Greenberg u.a. in ein transparentes Laminat 10 aufgenommen. Eine Elektrode 12 der elektrochromen Zelle umfasst ein Glassubstrat 14, beschichtet mit einem elektrisch leitenden Film 16, vorzugsweise Zinnoxid, mit einem spezifischen Plattenwiderstand von rund 25 Ohm/Quadrat. Ein elektrochromer Film 18, vorzugsweise Wolframoxid, wird auf den leitenden Film 16 gebracht, vorzugsweise durch Verdampfung oder Kathodenzerstäubung auf eine bevorzugte Dicke von rund 1000 bis 4000 Ångström. In der spezifischen Ausführungsform nach Abbildungen 1 und 2 ist die Gegenelektrode 10 der Zelle ein Metallgitter 22, mit anliegender Anbringung auf ein zweites, unbeschichtetes Glassubstrat 24. Ein bevorzugtes Metall für das Gitter ist Kupfer. Das Metallgittermuster kann quadratisch oder rechteckig sein, vorzugsweise aber handelt es sich um ein Muster miteinander verbundener Kreise für optimale optische Eigenschaften gemäss Offenbarung in U.S. Patent Nr. 4.772.760. Zwischen dem elektrochromen Film 18 und dem Metallgitter 22 befindet sich ein ionenleitendes Material 26, vorzugsweise ein ionenleitendes Polymer, wie es auf dem Fachgebiet schon bekannt ist. Zu den bevorzugten ionenleitenden Polymeren gehören 2-Acrylamid-2-Methylpropan-Sulfonsäuren- Homopolymerisate (AAMPS) und AAMPS-Polymere mit Vinylsulfonsäure. Die gitterförmige Metallgegenelektrode 22 wird vorzugsweise in ein ionenleitendes Polymer 26 an der Schnittstelle des Polymers und des unbeschichteten Glassubstrats 24 eingebettet. Metallgitter 22 wird von Stromquelle 28 (nur in Abbildung 1 gezeigt) über Sammelschiene 30 entlang der Kante von Laminat 10 mit elektrischem Strom versorgt.
- Das Metallgitter 22 hat einen geringen elektrischen Widerstand, welcher eine rasche und gleichförmige Verteilung der elektrischen Ladung über die Gegenelektrode 20 sicherstellt. In der elektrochromen Zelle nach Beschreibung in US-A-4.768.865 stösst jedoch der Strom auf seitlichen elektrischen Widerstand mit einhergehender Verringerung von Geschwindigkeit und Gleichförmigkeit der Ladungsverteilung durch Film 16 und den anliegenden elektrochromen Film 16. Als Ergebnis ist die Stromdichte zwischen Film 16 und 18 nicht einheitlich und während der Bleichungs- und Einfärbungsvorgänge entsteht ein Gefälle in der Durchlässigkeit von Laminat 10 in der Richtung des Stromflusses durch Film 16. Wenn also Laminat 10 transparent ist, d.h. der elektrochrome Film 18 sich in einem Zustand hoher Übertragung befindet und so erregt wird, dass Film 16 Kathode ist, fangen die Bereiche des elektrochromen Films 18 in unmittelbarer Nahe des Anschlusses von Film 16 an die Stromquelle an nachzudunkeln, während die Bereiche des elektrochromen Films 18 in grösster Entfernung vom Anschluss von Film 16 an die Stromquelle anfänglich transparent bleiben. Umgekehrt findet die Bleichung des elektrochromen Films 18 im nachgedunkelten Zustand von Laminat 10, d.h. wenn der elektrochrome Film 18 sich in einem Zustand geringer Übertragung befindet und mit Film 16 als Anode erregt wird, anfänglich in Nähe des Anschlusses von Film 16 an die Stromquelle statt, während die übrigen Bereiche des elektrochromen Films 18 anfänglich eingefärbt bleiben. Der Vorgang erreicht allmählich ein Gleichgewicht, in welchem der elektrochrome Film 18 gleichmässig eingefärbt oder gebleicht ist und Laminat 10 eine gleichmässige Durchlässigkeit hat.
- Zwecks Beschleunigung der Geschwindigkeit der Einfärbungs-/Bleichungsvorgänge einheitlicherer Verteilung über die ganze Oberfläche von Laminat 10, verwendet die vorliegende Erfindung zahlreiche Stromanschlüsse an Film 16 mit einheitlicherer Stromverteilung über Film 16 durch Verringerung des Stromweges durch Film 16, d.h. des Weges, den der Strom zurücklegen muss, um die erforderliche Stromdichte zwischen Film 16 und Gitter 22 für den Einfärbungs- /Bleichungsvorgang zu erreichen. Ohne Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung umfasst die spezifische Ausführungsform nach Abbildung 1 und 2 von Laminat 10 eine stromverteilende Einrichtung 32 mit sich in Längsrichtung erstreckenden Stromschienen 34, die mit einer gemeinsamen endständigen Stromschiene 36 verbunden sind. Die Stromquelle 28 wird an die endständige Stromschiene angeschlossen und der Strom fliesst durch die Stromschienen 34 auf Film 16 zwecks Verringerung des Stromweges und gleichmässigerer Ladungsverteilung über den Film 16. Das besondere Muster nach Abbildung 1 und 2 ist rechteckig, wobei aber offensichtlich jedes andere Muster eingesetzt werden kann, beispielsweise kreisförmige, rautenförmige Muster oder ein Firmenzeichen. Die Stromschienen 34 und die endständige Stromschiene 36 können aus jedem stromleitenden Material bestehen, vorzugsweise handelt es sich um eine Metallfolie, die an der Oberfläche der Glasplatte 14 befestigt wird, oder um eine elektrisch leitende Keramikfritte, die vor oder nach der Beschichtung des Glases mit Film 16 auf die Glasoberfläche gebrannt werden kann. Es ist die erforderliche Sorgfalt angezeigt, um sicherzustellen, dass die Stromschienen und die endständige Stromschiene nicht mit anderen Bestandteilen des Laminats reagieren. Insbesondere ist festgestellt worden, dass ionenleitendes AAMPS-Material 26 in einer silberhaltigen keramischen Stromschieneneinrichtung 32 durch den elektrochromen Film 18 das Silber angreifen und die Stromschienen 34 und die endständige Stromschiene 36 beschädigen kann. Dieser Sachverhalt kann korrigiert werden, indem die Stromschienen und die endständige Stromschiene vom ionenleitenden Material 26 isoliert werden, zum Beispiel mit einem Überzug (nicht gezeigt) aus Siliziumoxid ohne Einschränkung auf dieses Material. In den Ausführungsformen der Erfindung nach Abbildungen 1 und 2 wird der Überzug nur auf die Stromschieneneinrichtung aufgetragen; somit stehen die Stromschienen 34 weiterhin in elektrischem Kontakt mit dem stromleitenden Film 16, ohne jedoch mit dem ionenleitenden Material 26 durch den elektrochromen Film 18 und den Überzug zu reagieren.
- Die Zellenspannung nach dieser Erfindung ist genügend niedrig, zwecks Verhinderung der folgenden Wasserelektrolyse mit einhergehender Gasentwicklung:
- Vielmehr nimmt die Metallgitter-Gegenelektrode bei niedrigeren absoluten Spannungen an den ausgleichenden Halbzellenreaktionen teil. Bei einer Kupfergitter- Gegenelektrode finden somit die folgenden ausgleichenden Halbzellenreaktionen statt:
- Die Polymer-Elektrolytplatte wird zwischen den zwei transparenten Elektroden mit Schichten unter den typischen Laminierungsbedingungen im Autoklav, vorzugsweise bei rund 200 bis 225ºF (rund 93ºC bis 107ºC) und einem Druck von 150 Pfund pro Quadratinch laminiert. Obwohl herkömmliche Polymer- Zwischenschichten, wie Polyvinyl-Butyral zwecks Luftabzug hohlgeprägt werden und sehr trocken sein müssen, um Blasenbildung zu vermeiden, wird die vorkonditionierte Polymer-Elektrolytplatte dieser Erfindung selbst bei einem Wassergehalt von 20% ohne Prägung und Blasenbildung sofort laminiert.
- Der Umfang der elektrochromen Zelle wird in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung mit einer Barriere gegen Feuchtigkeitsdampf abgedichtet, um den gewünschten Wassergehalt im Polymerelektrolyt zu halten. Die Barriere gegen Feuchtigkeitsdampf enthält vorzugsweise eine Polymer- Dichtungsmasse, die feuchtigkeitsdampfdicht ist. Bevorzugte Polymer-Dichtungsmassen haben eine Feuchtigkeitsdampfübertragungsrate von weniger als 50 g/m² pro 24 h und 0,0254 mm (1 Milli-Inch) Schichtstärke bei rund 40ºC und 90 bis 95% relativer Luftfeuchte, vorzugsweise weniger als 20 g/m² pro 24 h und 0,0254 mm (1 Milli-Inch). Eine bevorzugte Dichtungsmasse ist Butylkautschuk. Der Butylkautschuk kann in Form kaltfliessender Kügelchen unter Anwendung von Druck entlang der Zelle, über die Kante des Polymerelektrolyts zwischen den beiden transparenten Schichten aufgetragen werden. Weiter kann der Butylkautschuk auch in Form eines Bandes aus einer mit Butylkautschuk kaschierten Metallfolien aufgetragen werden; dabei handelt es sich vorzugsweise um eine Aluminiumfolie, die breit genug für eine Überlappung an der vorderen und rückseitigen Oberfläche der elektrochromen Zelle ist, vorzugsweise eine Überlappung um rund 6,35 mm (1/4 Inch), In der bevorzugtesten. Ausführungsform wird nach Laminierung der Polymer-Elektrolytplatte zwischen zwei Glasplatten unter Druck und Hitze ein Kügelchen auf den Umkreis der Kante der Polymer-Elektrolytplatte gebracht. Daraufhin wird ein mit Butylkautschuk kaschiertes Folienband auf das Kügelchen aus Butylkautschuk aufgetragen. Die bevorzugten Zusammensetzungen der Dichtungsmasse mit Feuchtigkeitsdampfübertragungsraten von unter 8 g/m² pro 24 h und Schicht von 0,0254 mm (1 Milli-Inch) Schichtstärke werden in U.S. 4.109.431 offenbart.
- Die vorliegende Erfindung wird mit der Beschreibung der nachstehend aufgeführten spezifischen Beispiele weiter veranschaulicht.
- Es wird eine Polymer-Elektrolytplatte durch Giessen einer Lösung von 2-Acrylamid-2-Methylpropan-Sulfonsäure (AMPS Monomer der Lubrizol Corporation) mit rund 50 Gewichtsprozent Wasser vorbereitet. Der Polymer-Elektrolyt wird in einer kontrollierten Atmosphäre von 23ºC und 58% relativer Luftfeuchte auf einen molares Verhältnis Restwasser/AMPS von 3,6:1 in der kontrollierten Atmosphäre dehydratisiert. Die vorgeformte, vorkonditionierte Polymer-Elektrolytplatte kann gemäss Darstellung im nachstehend aufgeführten Beispiel zu einer funktionierenden elektrochromen Zelle zusammengebaut werden.
- Eine transparente elektrochrome Zelle wird durch Einsatz von zwei Glaszellenelementen vorbereitet. Ein Glassubstrat besteht aus klarem, 3 mm dickem Floatglas. Das andere ist 5 mm dickes Floatglas, beschichtet mit einem Zinnoxidfilm mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 25 Ohmiquadrat. Das leitende Zinnoxidglaselement funktioniert als Elektrode, mit einer um den Umfang angebrachten Silberfritte-Stromschiene.
- Ein elektrochromer Wolframoxid-Film WO&sub3;xyH&sub2;O, wobei y das Ausmass der Hydratisierung ist, wird durch Widerstandsverdampfung mit einem anfänglichen Vakuumkammerdruck von rund 4 x 10&supmin;&sup6; Torr über einem leitenden Zinnoxidfilm abgeschieden. Der elektrochrome Wolframoxid-Film wird bis zu einer Stärke von rund 4000 Ångström abgeschieden. Das mit elektrochromem Film/leitendem Film beschichtete Glaselement wird mit einer vorgeformten, vorkonditionierten, ionenleitenden Polymerplatte nach Beispiel 1, einer gitterförmigen Metallgegenelektrode und einem unbeschichteten Glaselement zusammengebaut. Die gitterförmige Metallgegenelektrode ist ein galvanoplastisch hergestelltes, quadratförmiges Kupfergitter mit Drähten von 0,064 mm (0,0025 Inch) im Abstand von 8 Drähten/cm (20 Drähten/Inch). Dieser Bausatz wird in einem Luft-Autoklav bei einer Temperatur von 93ºC (200ºF) und einem Druck von 20x34x10&sup5; Pa (150 Pfund pro Quadrat-Inch) während 60 Minuten laminiert. Nach der Laminierung wird der Umfang der Zelle mit einem Butylband abgedichtet. Das mit Butylkautschuk kaschierte Aluminiumfolienband ist breit genug für eine Abdeckung der Zellenkante und eine Überlappung um rund 6,35 mm (1/4 Inch) auf beiden Glasflächen, zwecks Wahrung des optimalen Feuchtigkeitsgehalts in der Polymer-Elektrolytplatte. Die auf diese Weise gebildete elektrochrome Zelle hat einen Lichtdurchlassgrad von rund 70% bei einer Wellenlänge von 550 Nanometer. Wenn elektrischer Strom bei einer oberflächlichen Stromdichte von rund 0,05 Milliampère/cm² durch die Zelle gegeben wird, dunkelt der elektrochrome Film in rund 2 Minuten auf einen Lichtduchlassgrad von 20% nach. Wenn die Polarität umgekehrt wird, erlangt der elektrochrome Film in rund 2 Minuten erneut seinen anfänglichen Durchlassgrad.
- Eine Reaktionslösung wird durch Auflösung von 69,51 g 2- Acrylamid-2-Methylpropan-Sulfonsäure (AMPS Monomer von Lubrizol Corporation) in 70,00 g destilliertem Wasser unter Zugabe von 0,49 g Tetraethylen-Glykol-Diacrylat und 0,12 g Benzom-Methyl-Ether (0,60 mm einer 20% Lösung in Methanol) zugegeben. Die Lösung wird in eine Zelle aus zwei Schichten Floatglas von 12 Quadratinch (30,5 cm³) im Abstand von 0,020 Inch (0,51 mm) mit einer Auskleidung von Polymer- Trennschichten (Mylar D Film von Dupont Corp.) gegossen. Um ihre äussere Begrenzung wird die Zelle mit Butylband versiegelt, wobei zwei Öffnungen für einen Schlauch von 6,35 mm (1/4 Inch) belassen werden: eine für den Lösungszuführungsschlauch und die andere für den Luftaustrittsschlauch. Die Zelle wird mit UV-Licht bestrahlt, um das Polymer auszuhärten. Bei einer Leuchtkraft von 4 Milliwatt/cm² und einer Spitze des UV-Spektrums von 365,4 Nanometer wird die eine Zellenseite während 10 bis 15 Minuten und die andere Seite während 10 Minuten bestrahlt. Daraufhin werden die Glasplatten entfernt und die Mylarschichten von der Copolymer-Elektrolytplatte abgezogen. Der Polymer-Elektrolyt wird in einer kontrollierten Atmosphäre von 23ºC und 58% relativer Luftfeuchte auf ein molares Verhältnis Restwasser/Copolymer von 3,6:1 teildehydratisiert. Die vorgeformte, vorkonditionierte Polymer-Elektrolytplatte kann gemäss Darstellung im vorstehend aufgeführten Beispiel zu einer funktionierenden elektrochromen Zelle zusammengebaut werden.
- Ein transparentes elektrochromes Laminat wird durch Einsatz von zwei Glaselementen mit Erhitzung und Formung durch Schwerkraft-Biegung, die Stand der Technik ist, vorbereitet. Glassubstrat 24 ist ein drei Millimeter dickes, wärmeabsorbierendes, unbeschichtetes Floatglas, erhältlich bei PPG Industries unter dem Handelsnamen Solargray . Glassubstrat 14 ist ein drei Millimeter dickes, klares Floatglas mit einer Beschichtung mit einem Zinnoxidfilm 16 mit einem spezifischen Widerstand der Platte von rund 15 bis 30 Ohm/Quadrat. Die stromleitende Einrichtung 32 umfasst einen 0,16 cm (1/16 Inch) breiten, auf der Rückseite klebenden Kupferstreifen 34 mit Befestigung am beschichteten Glas 16 und Abstand von rund 9 cm (3,5 Inch). Ein elektrochromer Film 18 aus Wolframoxid WO&sub3;xyH&sub2;O, wobei y das Ausmass der Hydratisierung ist, wird über einem leitenden Zinnoxidfilm 16 und Stromschieneneinrichtung 32 durch Widerstandsverdampfung abgeschieden. Der elektrochrome Wolframoxid-Film 18 wird bis zu einer einheitlichen Schichtstärke von rund 1600 Ångström abgeschieden. Eine 0,79 mm (0,031 Inch) dicke Schicht ionenleitenden Materials 26 aus AMPS Monomer, erhältlich bei Lubrizol Corp., Ohio, wird über den Wolframoxidfilm 18 gebracht. Ein galvanoplastisch hergestelltes Kupfergitter mit kreisförmigem Muster mit Drähten von rund 0,0635 mm (0,0025 Inch) im Abstand von 8 Drähten/cm (20 Drähten/Inch) wird über die ionenleitende Schicht 26 gebracht und von einer zweiten Glasplatte 24 mit einem Kupferbandstreifen einer Kante entlang, als endständige Stromschiene 30 für Metallgitter 22 überdeckt. Daraufhin wird der ganze Bausatz zwecks Formung eines einheitlichen Aufbaus laminiert und die Kante von Laminat 10 abgedichtet, vorzugsweise mit einer Butyl- Dichtmasse 38 (nur in Abbildung 2 gezeigt), um den Feuchtigkeitsgehalt im Laminat zu wahren.
- Das auf diese Weise gebildete elektrochrome Laminat 10 hat einen Lichtdurchlassgrad von rund 50% bei einer Wellenlänge von 550 Nanometer. Wenn elektrischer Strom bei einer oberflächlichen Stromdichte von rund 0,05 Milliampère/cm² (0,32 Milliampere/Quadratinch) durch die Zelle gegeben wird, dunkelt der elektrochrome Film in rund 2 Minuten auf einen Lichtdurchlassgrad von 15% nach. Wenn die Polarität umgekehrt wird, erlangt der elektrochrome Film in rund 2 Minuten erneut seinen anfänglichen Lichtdurchlassgrad.
- Die vorstehend aufgeführten Beispiele dienen einzig der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung. Während das vorstehende Beispiel einen elektrochromen Wolframoxidfilm einsetzt, können auch andere elektrochrome Materialien, wie Übergangsmetalloxide, Übergangsmetallsulfide, Übergangsmetalloxysufide, Übergangsmetallhalogenide, Selenide, Telluride, Chromate, Molybdate, Wolframate Vanadate, Niobate, Tantalate, Titanate, Stannate, usw eingesetzt werden, insbesondere Oxide, Sulfide und Stannate von Metallen der Gruppen IV-B, V-B und VI-B und Oxide und Sulfide der Metalle der Lanthanoidserie im besonderen, neben Wolframoxid, Molybdänoxid, Titaniumoxid, Vanadiumoxid, Niobiumoxid, Ceriumoxid, Kupferstannat, Kobaltwolframat und verschiedenen Metallmolybdaten, Titanaten und Niobaten. Andere elektrochrome Materialien, welche durch Kurzschliessen umkehren oder nur bei hohen Temperaturen wirksam sind, können ebenfalls eingesetzt werden, sowie schliesslich organische Materialien, wie Polyanilin, Polythiophen, Polyisothianaphten und Polypyrrol.Die ionenleitende Schicht kann so gewählt werden, dass sie für andere als Wasserstoff-Ionen, d.h. z.B. Lithium- Ionen durchlässig ist und kann durch andere Verfahren, wie Strangpressen hergestellt werden. Die Metallgitter- Gegenelektrode kann Nickel oder andere Metalle oder Legierungen sowie, vorzugsweise, Kupfer enthalten. Die gitterförmige Mettalgegenelektrode kann für eine besonders wünschenswerte ausgleichende Halbzellenreaktion mit einem anderen Material beschichtet werden, d.h. für eine Reaktion bei einer niedrigeren Spannung als jener der Elektrolyse von Wasser; z.B. Nickel beschichtet mit Wolframoxid oder Niobiumoxid. Während Galvanoplastik das bevorzugte Verfahren für die Erzeugung der Gegenelektrode ist, kann jede Methode, die ein Gitter mit annehmbaren optischen Eigenschaften erzeugt, eingesetzt werden. Die Elektrode in Kontakt mit dem elektrochromen Material kann auch in Form eines Metallgitters ausgebildet sein, wobei in diesem Fall das Gittermuster der beiden Elektroden für die gegenseitige Komplementierung oder für besondere optische Eigenschaften konstruiert werden kann.
Claims (16)
1. Laminierter, transparenter Gegenstand in Form einer
elektrochromen Zelle mit einer variablen
Durchlässigkeit in Abhängigkeit eines elektrischen Feldes,
enthaltend:
a) ein erstes transparentes Substrat (14),
b) ein zweites transparentes Substrat (24), das in
Kombination mit diesem ersten transparenten
Substrat (14) die Wände der elektrochromen Zelle
ausbildet,
c) ein elektrisch leitendes Elektrodenelement (16),
d) einen transparenten, elektrochromen Film (18),
der in Kontakt mit diesem elektrisch leitenden
Elektrodenelement (16) steht,
e) eine vorgeformte, vorkonditionierte, Ionen
leitende Copolymerplatte (26), die aus einer
2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure oder einer
Mischung aus einem Sulfonsäuremonomer und einem
hydrophilen Acrylatmonomer hergestellt ist, die
in Kontakt mit diesem elektrochromen Film (18)
steht,
f) eine gitterförmige Metallgegenelektrode (22), die
in Kontakt mit dieser Ionen leitenden
Polymerplatte (26) steht,
gekennzeichnet durch
g) eine Strom leitende Einrichtung (32) mit sich in
Längsrichtung erstreckenden Stromschienen (34),
die mit einer gemeinsamen endständigen
Stromschiene (36) verbunden sind, die mit dieser
elektrisch leitenden Elektrode (16) an vorbestimmten
Positionen in Kontakt steht, um den Strom durch
diese Elektrode (16) gleichförmiger zu verteilen.
2. Laminierter, transparenter Gegenstand nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese Stromschienen (34) eine Vielzahl von
elektrisch leitenden Streifenelementen (34) sind, die in
elektrischem Kontakt mit diesem Film (16) stehen,
wobei diese Streifenelemente (34) einen Widerstand
aufweisen, der geringer ist als der Widerstand dieses
elektrisch leitenden Films (16), so daß der Strom
durch diese Streifenelemente (34) zu diesem Film (16)
fließt.
3. Laminierter, transparenter Gegenstand nach Anspruch
2,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese Streifenelemente (34) auf einer
Hauptoberfläche dieses Substrats (16) befestigt sind und sich
in eine im allgemeinen längsorientierte Richtung
entlang dieses Substrats (16) erstrecken.
4. Laminierter, transparenter Gegenstand nach Anspruch
3,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese Streifenelemente (34) ein metallisches Band
sind, die an diesem Substrat befestigt sind.
5. Laminierter, transparenter Gegenstand nach Anspruch
4,
dadurch gekennzeichnet,
daß dieses metallische Band ein Kupferband ist.
6. Laminierter, transparenter Gegenstand nach Anspruch
3,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese Streifenelemente (34) ein elektrisch
leitendes keramisches Email sind.
7. Laminierter, transparenter Gegenstand nach einem der
Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß dieses elektrisch leitende Elektrodenelement (16)
ein transparenter Film ist, der aus der Gruppe,
bestehend aus Zinnoxid, Indiumoxid und Mischungen
davon, ausgewählt ist.
8. Laminierter, transparenter Gegenstand nach einem der
Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese Gitterelektrode (22) ein Metall, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Kupfer und
Mischungen davon, enthält.
9. Laminierter, transparenter Gegenstand nach einem der
Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet,
daß dieser transparente, elektrochrome Film (18)
einen elektrochromen Stoff, ausgewählt aus der
Gruppe, bestehend aus Übergangsmetalloxiden,
Übergangsmetallsulfiden, Übergangsmetalloxysulfiden,
Übergangsmetallhalogeniden, Seleniden, Telluriden,
Chromaten, Molybdaten, Wolframaten, Vanadaten,
Niobaten, Tantalaten, Titanaten, Stannaten,
Polyanilin, Polythiophen, Polyisothianaphthen und
Polypyrrol, enthält.
10. Laminierter, transparenter Gegenstand nach einem der
Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet,
daß dieses Jonen leitende Copolymer das
Reaktionsprodukt eines hydrophilen Acrylats und eines
Sulfonsäuremonomers, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus
2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure,
Ethylensulfonsäure, Vinylsulfonsäure und Nischungen davon, ist.
11. Laminierter, transparenter Gegenstand nach Anspruch
10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ionen leitende Copolymer das Reaktionsprodukt
aus einem Sulfonsäuremonomer und einem hydrophilen
Acrylatmonomer, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus Poly(ethylenoxid)dimethacrylat,
Ethoxytriethylenglykolmethacrylat,
Ethylenoxid-Dimethylsiloxanacrylat, Hydroxypropylacrylat, Ethylacrylat und
Mischungen davon, ist.
12. Laminierter, transparenter Gegenstand nach einem der
Ansprüche 1-11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ionen leitende Copolymerplatte (26) zu einem
molaren Verhältnis von Wasser/Monomer im Bereich von
1,5-3,9:1 vorkonditioniert ist.
13. Laminierter, transparenter Gegenstand nach einem der
Ansprüche 1-12,
gekennzeichnet durch
h) eine Barriere (38) gegen Feuchtigkeitsdampf, die
den Umfang dieser Zelle umgibt.
14. Laminierter, transparenter Gegenstand nach Anspruch
13,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese Barriere (38) gegen Feuchtigkeitsdampf
Butylkautschuk enthält.
15. Laminierter, transparenter Gegenstand nach Anspruch
14, wobei dieser Butylkautschuk in Form eines Bandes
aus einer mit Butylkautschuk kaschierten Metallfolie
vorliegt.
16. Laminierter, transparenter Gegenstand nach einem der
Ansprüche 1-15,
dadurch gekennzeichnet,
daß dieses transparente Substrat (14,24) Glas ist.
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